JP2014189439A

JP2014189439A - セメントクリンカーの製造方法

Info

Publication number: JP2014189439A
Application number: JP2013066273A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Koga; 博章古賀; Takashi Sabayashi; 敬司茶林; Akinori Nakamura; 明則中村; Hiroyoshi Kato; 弘義加藤
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】ポルトランドセメントクリンカーの焼成において、廃棄物原料の中には、その組成変動およびそのものの性状からクリンカーの焼成性に影響をおよぼす場合がある。そのため本発明は、石炭灰を原料の一部として用いるポルトランドセメントクリンカーの製造方法において、焼成性の良好なクリンカー原料の調整を提供する。
【解決手段】石炭灰を原料の一部として用いるポルトランドセメントクリンカーの製造方法において、前記石炭灰として、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が０．１〜０．５の石炭灰を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、ポルトランドセメントクリンカーの製造方法に関わる。詳しくは、当該ポルトランドセメントクリンカーの製造に係るセメント調合原料およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、セメントクリンカーの焼成性を向上させる調合原料およびその製造方法に関する。

セメント産業は、大量生産・大量消費型産業であり、省資源・省エネルギーは、これまでも、そしてこれからも最重要課題であり続けると考えられる。例えば、最も大量に製造されているポルトランドセメントを製造するためには、所定の化学組成に調製された原料を、１４００℃〜１５００℃もの高温で焼成してクリンカーとする必要があり、この温度を得るためのエネルギーコストは膨大なものとなる。

ポルトランドセメントは通常、ＣａＯ源として石灰石を用い、さらにＳｉＯ_２源としてのケイ石、Ａｌ_２Ｏ_３源としての粘土、Ｆｅ_２Ｏ_３源としてのスラグなどを主原料として製造される。

一方、近年の地球環境問題と関連して、廃棄物、副産物等の有効利用は重要な課題となっている。セメント産業、セメント製造設備の特徴を生かし、セメント製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行うことは、安全かつ大量処分が可能という観点から有効とされている。

大量生産・大量消費型産業であるセメント産業は、セメント製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行い、省資源・省エネルギーで効率よくセメントを製造することが重要とされている。

廃棄物、副産物等の中で、都市ごみ焼却灰、発生土、高炉水砕スラグ、高炉徐冷スラグ、石炭灰等は、通常のセメントクリンカー組成に比べ、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が多く、かつてのＡｌ_２Ｏ_３源として利用されていた粘土原料との置き換えの原料として有効利用されてきた。

本発明は、このような廃棄物原料を原料の一部として用いるポルトランドセメントクリンカーの製造方法において、焼成性の良好なクリンカー原料を提供し、もってセメントの製造コストの削減を計るものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行なった。そして、様々な石炭灰の中に、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が比較的低い、換言すればＳｉＯ_２の割合が多いものもあることに着目した。そして、このような石炭灰であれば、粘土ばかりでなく、一般に焼成性の悪いケイ石の置き換え割合を上げることが可能となり、よって比較的焼成性よく、セメントクリンカーが得られるのではないかと考え、さらに検討を進めた結果、本発明を完成した。

即ち本発明は、石炭灰を原料の一部として用いるポルトランドセメントクリンカーの製造方法において、前記石炭灰として、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が０．１〜０．５の石炭灰を用いることを特徴とするポルトランドセメントクリンカーの製造方法である。当該石炭灰は、ＳｉＯ_２含有量が６０質量％以上のものであることが好ましい。

本発によれば、ポルトランドセメントクリンカーの原料として石炭灰を使用する際、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が高い石炭灰を使用する場合に比して、０．１〜０．５の石炭灰を用いることで、焼成性を向上することができる。また、ＳｉＯ_２源となるケイ石の使用比率を下げることができ、相対的に廃棄物使用量が増加する効果も得られる。

ケイ石中のＳｉＯ_２成分の多くが大きな結晶性のものであり、それゆえ焼成性が悪いのに対して、石炭灰中のＳｉＯ_２成分は非晶質であったり、結晶質でも極めて微細な大きさであったりするために、焼成時に他の成分と反応しやすくなっており、上記効果が発現するものと考えられる。

本発明の製造方法においては、ポルトランドセメントクリンカーの原料の一部として石炭灰を使用する。そして、その石炭灰のＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）は０．１〜０．５の石炭灰でなくてはならない。この比率が小さいほどケイ石の多くを石炭灰に置き換えることが可能となり、焼成性の向上効果が大きいが、小さくなりすぎるとＡｌ_２Ｏ_３分が不足するため、別途Ａｌ_２Ｏ_３源を用意する必要が出てくる。入手の容易さなども考慮すると、０．３〜０．５が好ましい。前述の通りＳｉＯ_２源となるケイ石は、粘土等のＡｌ_２Ｏ_３源や鉄源等のＦｅ_２Ｏ_３源など原料と比較して、溶融しにくい。また、微量成分等の影響により異なることもあるが、一般的には、ＳｉＯ_２を含むＡｌ_２Ｏ_３源となる石炭灰は、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が小さい値を示すものが相対的に溶融し易い。

Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が小さい値を示す石炭灰を用いることにより、上記ケイ石の使用割合を減らすことができ、よって、クリンカーの焼成性が向上する。

本発明において用いる石炭灰は、産炭地や発生場所（火力発電所など）の異なる複数の石炭灰を混合して用いてもよい。この場合、複数の石炭灰の混合後のＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２が０．１〜０．５の範囲にあればよい。

本発明において、上記石炭灰の使用量は制限されるものではないが、従来の石炭灰を用いるよりも多量に使用できる傾向にあり、一般には製造されるクリンカー１トンあたり８０〜１４０ｋｇである。

本発明のポルトランドセメントクリンカーの製造方法における、上記石炭灰以外の原料は、公知の原料を用いることができる。即ち、石灰石、生石灰、消石灰等のＣａＯ源、ケイ石等のＳｉＯ_２源、粘土等のＡｌ_２Ｏ_３源、スラグ等のＦｅ_２Ｏ_３源などである。また各種廃棄物、副産物等も使用可能である。上記の通り、本発明で規定する石炭灰を用いれば、同じ化学組成のクリンカーを得るために必要なケイ石量が低減出来、よって焼成性が向上する。

本発明の製造方法において、石炭灰以外の廃棄物、副産物等から一種以上のものを使用することは、廃棄物、副産物等の有効利用を促進する観点から好ましいことである。使用可能な廃棄物・副産物をより具体的に例示すると、高炉スラグ、製鋼スラグ、非鉄鉱滓、下水汚泥、浄水汚泥、製紙スラッジ、建設発生土、鋳物砂、ばいじん、焼却飛灰、溶融飛灰、塩素バイパスダスト、木屑、廃白土、ボタ、廃タイヤ、貝殻、都市ごみやその焼却灰等が挙げられる（なお、これらの中には、セメント原料になるとともに熱エネルギー源となるものもある）。

本発明のセメントクリンカーを製造する方法は特に限定されることがなく、上記セメントクリンカー原料を、公知のセメントクリンカーの鉱物比率及び係数となるように所定の割合で調製混合し、公知の方法（例えばボールミル、竪型ミル等）で所定の粉末度となるように原料を混合粉砕し、公知の方法（例えば、ＳＰキルンやＮＳＰキルン等）で焼成することにより容易に得ることができる。

当該セメント原料の調製混合方法も公知の方法を適宜採用すればよい。例えば、事前に上記各種原料の化学組成を測定し、これら原料中の各成分割合から上記範囲になるように各原料の調合割合を計算し、その割合で原料を調合すればよい。

原料の調合割合は、ポルトランドセメントクリンカーを生じる範囲であれば特に限定されず、普通ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメントなど如何なるポルトランドセメントに対しても適用できるが、好ましくはＣ_３Ｓ含有量が４０〜７５質量％、Ｃ_２Ｓ含有量が５〜２５質量％、Ｃ_３Ａ含有量が３〜１５質量％及びＣ_４ＡＦ含有量が７〜２５質量％のものである。

本発明の製造方法において、各原料は個々に粉砕後混合しても良いし、混合後に粉砕してもよい。当該粉砕方法は、公知のポルトランドセメントクリンカー製造の際と同様のボールミル、竪型ミル等を使用することができ、特に限定はされないが、ボールミルが好ましい。粉砕に際しては通常、分級を行い望む範囲の粒度の混合原料を得る。当該分級についても公知の方法が適宜採用できる。

なお石炭灰は、もともと粉末状のものであるため、その混合は、他の原料の粉砕後の粉末に混合しても、他の原料の粉砕前に混合し、他の原料と同様に粉砕機を通しても良い。

焼成方法も特に限定されず、既存のポルトランドセメント製造設備として知られるＮＳＰキルンや、ＳＰキルンに代表されるセメントキルン等の高温加熱が可能な装置が好適に使用できる。焼成温度は１４００〜１５００℃程度が通常である。

本発明の方法で製造されたポルトランドセメントクリンカーは、公知のポルトランドセメントクリンカーと同様に使用することができる。即ち、石膏等と混合し、ブレーン比表面積が一定値以上になるまで粉砕すればよい。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

用いた石炭灰は、日本国内の火力発電所から排出されたものである。この石炭灰の化学組成およびＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）を以下の表１に示す。

表１に示すそれぞれの石炭灰と石灰石、ケイ石および鉄原料の工業原料を用いて、焼成ベースで、汎用的なセメントクリンカー組成のクリンカーが得られるように原料を調合した。このときの各原料の調合割合を表２に示す。

ＳｉＯ_２成分を多く含有する石炭灰ＨＳを用いた場合、石炭灰や鉄原料に比べて相対的に溶融しにくいケイ石の調合割合を少なくすることができている。逆に石炭灰の調合割合は、一般的に溶融し易いＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が小さい石炭灰ＨＳを用いた場合の方が、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が大きい石炭灰ＨＡを用いた場合に比べて多くなっている。

各試料を１４５０℃で６０分間焼成し、セメントクリンカーを得た。得られたクリンカーの係数値、ボーグ式による鉱物組成、ｆ−ＣａＯ量およびクリンカーの空隙率を以下の表３に示す。

また各測定は以下の方法による。
（１）原料およびセメントクリンカーの化学組成の測定：ＪＩＳＲ５２０４に準拠する蛍光Ｘ線分析法により測定した。
（２）クリンカーの焼成性の指標としてクリンカーの空隙率を測定したが、その測定は、アルコール溶媒を用いた液中秤量法により求めた。

実施例は本発明に関わるものであり、１４５０℃焼成においてクリンカーのｆ−ＣａＯは比較例の値よりも小さな値を示すとともに、クリンカーの空隙率の値も小さな値を示していることから焼成性が良好な結果となっている。

Claims

石炭灰を原料の一部として用いるポルトランドセメントクリンカーの製造方法において、前記石炭灰として、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２（質量比）が０．１〜０．５の石炭灰を用いることを特徴とするポルトランドセメントクリンカーの製造方法。
石炭灰のＳｉＯ_２含有量が６０質量％以上のものである請求項１記載のセメントクリンカーの製造方法。